Modbus通信協(xié)議在分布式控制系統中的應用

一、引言

現代工業(yè)的迅速發(fā)展，不斷促進(jìn)著(zhù)自控技術(shù)及設備創(chuàng )新的日新月異。當前，DCS、IPC、PLC及智能儀表已廣泛應用到工廠(chǎng)現場(chǎng)生產(chǎn)控制系統當中，并發(fā)展到由上述設備相互協(xié)同、共同面向整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的分布式工業(yè)自動(dòng)控制系統。在此系統中，現場(chǎng)通信技術(shù)堪稱(chēng)關(guān)鍵。但由于開(kāi)始沒(méi)有統一的通信協(xié)議標準，各廠(chǎng)商自控產(chǎn)品通信協(xié)議各自為政，通信網(wǎng)絡(luò )各成體系，造成不同廠(chǎng)家的自控設備網(wǎng)絡(luò )連接困難甚至不能連接，給分布式控制系統的靈活應用造成了不便。一些公司為適應市場(chǎng)，紛紛將各自的協(xié)議標準公開(kāi)化，可無(wú)償使用。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，一些通信協(xié)議如Modicon公司的Modbus通信協(xié)議因其兼容性、易用性的優(yōu)勢，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應用，已成為一種通用的工業(yè)通信標準。本文就某化纖項目分布式控制系統的設計，介紹基于Modbus協(xié)議的通信網(wǎng)絡(luò )在其中的應用。

二、系統組成

1、系統結構

本系統構成如圖1，其中略去了現場(chǎng)儀表信號的采集、控制部分。系統上位機采用橫河CS3000型DCS集散控制系統，對整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行集中監控;下位機采用Omron的CS1H系列PLC，分布在3個(gè)電氣控制室，負責現場(chǎng)電機、OCV閥、流量開(kāi)關(guān)、變頻器等執行、檢測機構的啟?？刂?、反饋信號采集、故障判斷等操作。

基于通信實(shí)時(shí)性的考慮，將DCS與3個(gè)PLC控制站分為兩個(gè)相對獨立的通信網(wǎng)絡(luò )：PLC1和PLC2與DCS一端口組成網(wǎng)絡(luò )一，PLC3與DCS二端口組成網(wǎng)絡(luò )二。由于上下位機均無(wú)面向同一協(xié)議的通信設備，給設計造成了困難。經(jīng)考慮，決定采用Modbus通信協(xié)議，由其構成本分布式控制系統的通信網(wǎng)絡(luò )。

2、通信網(wǎng)絡(luò )組成

2.1通信協(xié)議

Modbus協(xié)議是一種適用于工業(yè)控制領(lǐng)域的主從式串口通訊協(xié)議，它采用查詢(xún)通訊方式進(jìn)行主從設備的信息傳輸，可尋址1-247個(gè)設備地址范圍。協(xié)議包括廣播查詢(xún)和單獨設備查詢(xún)兩種方式，二者區別就是廣播查詢(xún)不需要從設備回應信息，主從設備查詢(xún)通訊過(guò)程見(jiàn)圖二。

Modbus協(xié)議有兩種傳輸模式：ASCII模式和RTU模式。同波特率下，RTU模式較ASCII模式能傳輸更多的數據，所以工業(yè)網(wǎng)絡(luò )大都采用RTU模式。RTU模式下的信息傳輸報文格式如圖三

它沒(méi)有起始位和停止位，而是由至少3.5個(gè)字符間隔時(shí)間作為信息的起始、結束標志。信息幀所有字符位由16進(jìn)制字符0-9、A-F組成。本設計采用單獨設備查詢(xún)的RTU模式通信方式，根據系統構成，將DCS一端口設01H、02H兩個(gè)PLC從站地址，二端口設01H一個(gè)PLC從站地址，并使用Modbus協(xié)議中的讀字存儲區03H和寫(xiě)字存儲區06H兩個(gè)功能碼。

2.2 網(wǎng)絡(luò )構成及硬件介紹

網(wǎng)絡(luò )采用RS485串行接口，通信媒體由4芯屏蔽電纜連接主從設備，傳輸距離最大達1.5Km，全雙工，串口設定波特率19200，8位數據位、偶校驗、1位停止位。DCS通信部分采用橫河型號為ALR121的通信模塊，并配套橫河提供的Modbus通信軟件包，該通信模塊最大通信數據容量4000字。PLC通信部分則采用Omron的C200H-ASCII 21可編程特殊單元模塊（以下簡(jiǎn)稱(chēng)ASCII模塊），該模塊支持BASIC語(yǔ)言編程，內有200K字節的程序存儲區，配備RS232、RS485通信串口各一個(gè)。通過(guò)對該模塊的編程，可實(shí)現與外圍設備的各種通信。本系統通過(guò)ASCII模塊與DCS基于Modbus協(xié)議的通信，將DCS的讀、寫(xiě)指令及數據做相應轉換，并與PLC的CPU單元進(jìn)行數據存取交換，以實(shí)現上下位機控制信息的實(shí)時(shí)傳輸。如圖四所示。

三、軟件實(shí)現

1、 建立地址分配、對應表

DCS人機監控界面（HMI）上面向現場(chǎng)儀表的圖形符號對象的監控，需通過(guò)DCS I/O物理地址對現場(chǎng)儀表信號的采集來(lái)實(shí)現。DCS對現場(chǎng)電氣執行、檢測機構的監控，則是由DCS通信I/O地址與PLC I/O物理地址一一對應完成的。為此，在編程前，需建立一張DCS通信I/O地址與PLC I/O地址的分配、對應表。由于PLC邏輯控制編程需要，不便直接將PLC I/O物理地址與DCS通信I/O地址對應，故采取了間接地址的方式。具體設計采用PLC的數據存儲區DM區作為間接地址區，與DCS通信I/O區建立聯(lián)系，再將DM區與PLC I/O區相對應。如將DCS的%WB000101位通信I/O地址與D0000.00位地址對應，D0000.00再對照PLC的I0000.00位物理輸入點(diǎn)，就能將現場(chǎng)電氣執行機構的運行狀態(tài)反饋到HMI上。按照這種方法就建立了一張上下位機地址分配、對應表，因篇幅所限，該表略。